Đồ án Nghiên cứu truyền hình độ phân giải cao (hdtv)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU TRUYỀN HÌNH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO (HDTV) Sinh viên thực hiện:  ĐÀO HUY TÙNG Lớp ĐTVT K3- TMĐT Giảng viên hướng dẫn: THS: NGUYỄN XUÂN QUYỀN Cán bộ phản biện: Hà Nội, 6-2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------------  CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .…………….………….…….. Số hiệu sinh viên: …………………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………................. 1. Đầu đề đồ án: ………………………………………………..……………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……..…… ……………………………………………………………………………………………… ..………………………..…………………………………………………………………… 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..…………………….. 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………………..…………………………. 7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..……………… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày  tháng  năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .................................................... Số hiệu sinhviên: .......................... Ngành: .................................................................................................. Khoá: .............................................................. Giảng viên hướng dẫn: ........................................................................................................ Cán bộ phản biện: ............................................................................................................. 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: .................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. Ngày  tháng  năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trên cơ sở nghiên cứu truyền hình độ phân giải cao, kết hợp với những nhu cầu thực tế về một hệ thống truyền hình độ phân giải cao tại việt nam cũng như trên thế giới, được sự gúp đỡ của thầy. TH S: Nguyễn Xuân Quyền, Khoa Điện Tử Viễn Thông, ĐHBK Hà Nội. Em đã nghiên cứu đề tài này. Đề tài “ Nghiên cứu truyền hình độ phân giải cao HDTV ” được thực hiện bởi sinh viên. Đào Huy Tùng, lớp ĐTVT K3-TMĐT Đề tài được trình bày thành 5 phần như sau : Chương I: giới thiệu chung về truyền hình số Chương II: truyền hình độ phân giải cao HDTV Chương III: truyền dẫn tín hiệu HDTV Chương IV: các hệ thống HDTV Chương V: tình hình HDTV tại việt nam LỜI CAM ĐOAN Bản đồ án này do chính tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của THS. Nguyễn Xuân Quyền. Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu liệt kê trong phần tham khảo. Tôi cam đoan không sao chép bất kì công trình, thiết kế tốt nghiệp nào khác. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy đinh. Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Đào Huy Tùng MỤC LỤC Tài liệu tham khảo……………………………………………………………….…83 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 : khả năng chống lại can nhiễu của tín……………......cùng kênh …14 Hình 1-2: khả năng chống lại can nhiễu của tín ………………..lân cận……. 15 Hình 1-3: So sánh chất lượng tín hiệu số và tương tự ………..………………16 Hình 1-4: So sánh phổ tín hiệu tương tự và tín hiệu số……….………………17 Hình 1.5: Phần trăm số nước lựa chọn tiêu chuẩn…………….………………22 Hình 1-6: Sơ đồ truyền hình số và phân phôi cho truyền hình số…….……….24 Hình 1-7: sơ đồ khối mạch biến đổi video số sang tương tự………...………..25 Hình 1.8: tập hợp các kỹ thuật giảm dữ liệu để tạo …..JPEG, MJPEG………27 Hình 1-9: Mã hóa, giải mã DPCM……………………………………………28 Hình 1-10: Cấu trúc MPEG-2 phân lớp………………………………….……28 Hình 1-11: Dòng các hìn PS ……………………………………………....….29 Hình 1.12: Định dạng dòng truyền tải MPEG-2………………………..……..30 Hình 1.13: Dòng truyền tải TS…………………………..………………..…...31 Hình 1.14: Ghép kênh dòng bit truyền tải cấp hệ thống……………..….…….32 Hình 2.1: Tỷ lệ hình ảnh trong truyền hình…………… rộng:cao…………....33 Hình 2.2: Giới thiệu định dạng video…………..……………………………..35 Hình 2.3: Điểm ảnh của một số tiêu chuẩn………..…………………………..36 Hình 2.4: So sánh tỉ số màn ảnh giữa tivi thường và HDTV…..……………...38 Hình 2-5: HDTV quét 30 và 60 khung hình trên giây được……..…….……...38 Hình 2-8: Tổng hợp số quét HDTV cho hệ thống 720p, 1080i và 1080p….....39 Hình 2.7: Phương pháp 1 cắt theo chiều đứng………………………………...42 Hình 2.8: Phương pháp 2 bảng biên: ảnh 4:3 cấy vào định dạng 16:9………..43 Hình 2.9: Giải pháp 1 của sổ trung tâm: cắt ảnh 16:9 ở bên thành ảnh 4:3…...44 Hình 2.10: Giải pháp 2 letterbox: ảnh gốc 16:9 cấy vào định dạng 4:3…...….44 Hình 2.11: tần số lấy mẫu SDTV……………………………………………...45 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Tiếng Việt ATSC Advanced Television System Commitee Hội đồng về hệ thống truyền hình cải biên C/N Carrier/Noise Sóng mang/tạp âm CD Compact Disk CD COFDM Coding Othogonality Fequency Dvision Mltiplexing Ma hóa ghép kênh theo tần số trực giao DiBEG Digital Broadcasting Expert Group Nhóm chuyên gia truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số DVB-C/S/T Digital Video Broadcasting-Cable / Satellite / Terrestrial Truyền hình số qua cáp / vệ tinh / phát sóng trên mặt đất EDTV Enhanced Definition Television Truyền hình độ phân giải mở rộng FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến (thuận) HDTV High Definitiom Televisiom Truyền hình độ phân giải cao ISDB Integrated Services Digital Broadcasing Truyền hình số các dịch vụ tích hợp LDTV Low Definitiom Television Truyền hình độ phân giải thấp MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về ảnh động M-PSK M-ary Phase Shift Keying Khóa dịch pha M trạng thái M-QAM M-ary Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc M trạng thái NTSC National Television System Committee Hội đồng hệ thống truyền hình quốc gia Mỹ OFDM Othogonality Fequency Dvision Mltiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PAL Phase Alternating Line Pha luân phiên theo dòng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc RF Radio Frequence Cao tần SDTV Standard Definition Television Truyền hình độ phân giải tiêu chuẩn SFN Single Frequence Network Mạng đơn tần SMPTE Society of Motion Picture and Television Engineers Hiệp hội ảnh động và kỹ sư truyền hình VOD Video On Demand Truyền hình theo yêu cầu LỜI NÓI ĐẦU Khi  đời sống vật chất của người dân ngày càng được nâng cao, yêu cầu về chất lượng các chương trình truyền hình, giải trí ngày càng lớn. Lĩnh vực phát thanh truyền hình trong mấy năm trở lại đây đang có những bước tiến nhảy vọt. Truyền hình analog, truyền hình cáp, truyền hình kỹ thuật số mặt đất, truyền hình vệ tinh DTH...phát triển mạnh về số lượng và chất lượng, lan tỏa khắp các tỉnh, thành phố và cạnh tranh lẫn nhau. Thậm chí, một địa bàn mà có tới 2,3 đơn vị cung cấp dịch vụ gây nên sự lựa chọn khó khăn cho người tiêu dùng. Tuy vậy, có một thực tế là, các nhà sản xuất truyền hình ở Việt Nam vẫn đang phát sóng chương trình trên hệ analog và digital cho nên người dân vẫn đang phải tiếp nhận những chương trình truyền hình chưa được như mong muốn, kể cả các gia đình đã sắm cho mình những loại tivi LCD Full HD cỡ lớn. Sự kiện vệ tinh VINASAT-1, vệ tinh viễn thông đầu tiên của Việt Nam bay vào quỹ đạo đã mở ra một kỉ nguyên mới cho lĩnh vực Thông tin - truyền thông nói chung, lĩnh vực truyền hình nói riêng. Từ đây, chúng ta có thêm một phương tiện truyền dẫn mới với băng thông rộng, trải khắp toàn quốc. Hình ảnh được truyền qua vệ tinh cũng sẽ được đảm bảo chất lượng âm thanh, hình ảnh cao nhất, phù hợp cho phát triển công nghệ truyền hình độ nét cao HDTV. Nếu so sánh với truyền hình chuẩn SDTV hiện nay, HDTV có nhiều ưu thế hơn  hẳn. Truyền hình SDTV ở Việt Nam hiện nay có độ phân giải cao nhất là 720 điểm chiều ngang và 576 điểm chiểu dọc (720 x 576 ) trong khi đó, truyền hình HDTV có số lượng điểm ảnh lên đến 1920 x1080. Giống như máy ảnh kỹ thuật số có độ phân giải cao hơn hẳn, số lượng các chi tiết ảnh  của HDTV cao gấp 5 lần so với SDTV, cho hình ảnh sắc nét, chân thực, sống động. Hệ thống âm thanh 5.1 vốn được dùng nhiều trong các dàn nhạc tại nhà hay rạp chiếu phim, giờ xuất hiện ngay cả trên sóng truyền hình. Thêm vào đó, nếu tỉ lệ tiêu chuẩn khung hình cũ là 4:3 làm người xem mau mỏi mắt thì với HDTV, tỉ lệ khuôn hình 16:9 hiển thị đúng kích thước thật của hình ảnh. Sử dụng HDTV trên màn hình rộng, người xem sẽ không còn nhìn thấy những hình ảnh mất cân đối. Màn hình không còn hiện tượng bóng ma, mờ nhiễu như khi xem các chương trình truyền thống hiện đang có mặt tại Việt Nam. Với những đặc tính ưu việt như trên, có thể khẳng định xu thế HDTV là tất yếu trong thời gian ngắn tới đây và phù hợp với xu thế phát triển của xã hội. Xuất phát từ thực tế đó, em đã tiến hành xây dựng đồ án tốt nghiệp với đề tài về HDTV. Em xin chân thành cảm ơn thầy TH S: Nguyễn Xuân Quyền đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em có thể hoàn thành tốt đồ án của mình. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ Sử dụng phương pháp số để tạo , lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mơ rộng ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình đã đc nghiên cứu trước . Trong một số ứng dụng , tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì có khả năng thể hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện , nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ. 1.1 Đặc điểm của truyền hình số - Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai. - Tính phân cấp ( HDTV + SDTV) - Thu di động tốt. Người xem dù đi trên ôtô, tàu hỏa vẫn xem được các chương trình truyền hình. Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng Doppler. - Truyền tải được nhiều loại thông tin. - Ít nhạy với nhiễu vs các dạng méo xảy ra trên đường truyền. bảo toàn chất lượng hình ảnh, Thu số không còn hiện tượng “bóng ma ’’ do các tia sóng phản xạ từ nhiều hướng đến máy thu. Đây là vấn đề mà hệ analog đang không khắc phục nổi. Hình 1-1 : khả năng chống lại can nhiễu của tín hiệu truyền hình tương tự cùng kênh: a. tín hiệu tương tự b. tín hiệu số Hình 1-2: khả năng chống lại can nhiễu của tín hiệu truyền hình tương tự kênh lân cận Phát nhiều chương trình trên một kênh truyền hình: Tiết kiệm tài nguyên tần số: - Một trong những ưu điểm của truyền hình số là tiết kiệm phổ tần số - 1 transponder 36MHz truyền được 2 chương trình truyền hình tương tự song có thể truyền được 10 ¸ 12 chương trình truyền hình số ( gấp 5 ¸ 6 lần) - Một kênh 8 MHz ( trên mặt đất ) chỉ truyền được 1 chương trình truyền hình tương tự song có thể truyền được 4 ¸ 5 chương trình truyền hình số đối với hệ thống ATSC, 4 ¸ 8 chương trình đối với hệ DVB –T (tùy thuộc M-QAM, khoảng bảo vệ và FEC) Bảo toàn chất lượng : Chất lượng Khoảng cách giữa máy phát và máy thu Tín hiệu số Tín hiệu tương tự Hình 1-3: So sánh chất lượng tín hiệu số và tương tự Tiết kiệm năng lượng, chi phí khai thác thấp: Công suất phát không cần quá lớn vì cường độ điện trường cho thu số thấp hơn cho thu analog ( độ nhạy máy thu số thấp hơn -30 đến -20 DB so với máy thu analog). Mạng đơn tần (SFN): cho khả năng thiết lập mạng đơn kênh, nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh song. Đây là sự hiệu quả lớn xét về mặt công suất và tần số. Tín hiệu số dễ xử lý, môi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thân thiện với máy tính … Phổ tín hiệu tương tự Hình Tiếng Phổ tín hiệu số Hình Hình Tiếng Tiếng Tiếng Hình Hình 1-4: So sánh phổ tín hiệu tương tự và tín hiệu số 1.2. Các phương thức truyền dẫn truyền hình số: Truyền hình số qua vệ tinh : Kênh vệ tinh (khác với kênh cáp và kênh phát song trên mặt đất ) đặc trưng bởi băng tần rộng và sự hạn chế công suất phát. Khuyếch đại công suất của Transponder làm việc gần như bão hòa trong các điều kiện phi tuyến. Truyền hình số truyền qua cáp: Điều kiện truyền các tín hiệu số trong mạng cáp tương đối dễ hơn, vì các kênh là tuyến tính với tỷ số công suất song mang trên tạp (C/N) tương đối lớn. Tuy nhiên độ rộng băng tần kênh bị hạn chế ( 8 MHz). đòi hỏi phải dùng các phương pháp điều chế số có hiệu quả cao hơn so với truyền hình theo qua vệ tinh. Truyền hình số truyền qua sóng mặt đất : Diện phủ song hẹp hơn so với truyền qua vệ tinh song dễ thực hiện hơn so với mạng cáp. Cũng bị hạn chế bởi băng thong nên sử dụng phương pháp điều chế OFDM nhằm tăng dung lượng dẫn qua 1 kênh song và khắc phục các hiện tượng nhiễu ở truyền hình mặt đất tương tự. Tóm lại: Truyền hình số trong cả ba môi trường có sự bổ sung , hỗ trợ cho nhau. Nếu truyền hình qua vệ tinh có thể phủ song một khu vực rất lớn với số lượng chương trình lên đến hang trăm thì tín hiệu số trên mặt đất dùng để chuyển các chương trình khu vực, nhằm vào một số lượng không lớn người thu. Đồng thời, ngoài việc thu bằng Anten nhỏ của máy tính xách tay. Thu trên di động (trên ô tô, máy bay …). Truyền hình số truyền qua mạng cáp phục vụ thuận lợi cho đối tượng là cư dân ở các khu đông đúc, không có điều kiện lắp Anten thu vệ tinh hay Anten mặt đất. 1.3. Các hệ tiêu chuẩn truyền dẫn truyền hình số mặt đất 1.3.1. Giới thiệu chung 3 chuẩn: Cho đến năm 1997, ba hệ tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất đã được chính thức công bố: - ATSC của Mỹ - DVB-T của Châu Âu - DiBEG của Nhật Mỗi tiêu chuẩn đều có mặt mạnh, yếu khác nhau Các cuộc tranh luận liên tiếp nổ ra Nhiều cuộc thử nghiệm quy mô tầm cỡ quốc gia, với sự tham gia của nhiều tổ chức Phát thanh- Truyền hình, cơ quan nghiên cứu khoa học và thậm chí các cơ quan chính phủ. Mục đích của các thử nghiệm: - Làm rõ các mặt mạnh, yếu của tường tiêu chuẩn - Lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp với mỗi quốc gia Do DiBEG trên thực tế là một biến thể của DVB-T (vì cùng sử dụng phương pháp điều chế OFDM), nên các cuộc tranh luận thường chỉ tập trung vào 2 tiêu chuẩn chính là ATSC và DVB-T. Cả hai tiêu chuẩn này đều sử dụng gói truyền tải MPEG 2 tiêu chuẩn quốc tế, mã ngoài Reed-solomon, mã trong Trellis code và sử dụng phương pháp tráo, ngẫu nhiên hóa dữ liệu. Khác nhau ở phương pháp điều chế 8- VSB và COFDM. Mỗi tiêu chuẩn đều có những ưu nhược điểm khác nhau, đều có khả năng phát kết hợp với truyền hình độ phân giải cao (HDTV +SDTV). Đều có dải tần số kênh RF phù hợp với truyền hình tương tự NTSC, PAL M/N, D/K, B/G…là 6,7 hoặc 8 MHz. Việc lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho mỗi quốc gia phải dựa vào nhiều yếu tố tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng đất nước đó. DVB-T nằm trong hệ thống tiêu chuẩn DVB của châu âu: DVB-S, DVB-C, DVB-SI tiêu chuẩn truyền số liệu theo truyền hình số, DVB-TXT- tiêu chuẩn Teletext số, … ATSC chỉ là một tiêu chuẩn và cho đến nay ở mý vẫn còn có các cuộc tranh luận quyêt liệt về tiêu chuẩn này. 1.3.2. So điểm ưu việt ATSC và DVB-T: ATSC có 3 điểm ưu việt hơn tiêu chuẩn DVB-T: - Tráo dữ liệu và mã sửa sai (RS) - Khả năng chống nhiễu đột biến. - Mức cường độ trường tiêu chuẩn tại đầu thu DVB-T có điểm ưu việt hơn tiêu chuẩn ATSC: - Khả năng chống nhiễu phản xạ nhiều đường. - Khả năng ghép nối với máy phát hình tương tự nếu có. - Chống can nhiễu của máy phát hình tương tự cùng kênh & kênh kề. - Mạng đơn tần (SFN) và tiết kiệm dải phổ. - Khả năng thu di động. - Điều chế phân cấp. - Tương thích với các loại hình dịch vụ khác. Kết luận chung về 3 tiêu chuẩn: ATSC – phương pháp điều chế 8-VSB cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm… tốt hơn nhưng lại không có khẳ năng thu di động và không thích hợp lắm với các nước đang sử dụng hệ PAL. DiBEG có tính phân lớp cao, cho phép đa loại hình dịch vụ, linh hoạt mềm dẻo, tận dụng tối đa dải thông, có khẳ năng thu di động nhưng không tương thích với các dịch vụ truyền hình qua vệ tinh, cáp. DVB-T với phương pháp điều chế COFDM tỏ ra có nhiều đặc điểm ưu việt, nhất là đối với các nước có địa hình phức tạp, có nhu cầu sử dụng mạng đơn tần (SFN) và đặc biệt là khả năng thu di động. 1.4. Lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất của cả nước: 1.4.1. Các nước trên thế giới: Các nước lựa chọn tiêu chuẩn ATSC gồm: Achentina, Mexico, Hàn quốc, Đài loan, Canada,… Mỹ: 1995: Công bố tiêu chuẩn (ATSC) 1997: Bắt đầu phát song thử nghiệm truyền hình số 2006: chấm dứt công nghệ truyền hình tương tự, chuyển hoàn toàn sang phát song số. Achentina : phát sóng số vào năm 1999. Mexico : phát sóng số vào năm 1992. Hàn quốc : - Lựa chọn tiêu chuẩn từ năm 1997 đến 1998 Phát thử nghiệm từ 1998 đến 2001 Chính thức phát sóng số vào năm 2001 Chấm dứt truyền hình tương tự vào năm 2010 Nhật Bản: ban hành tiêu chuẩn ISDB-T và chủ trương sẽ phát sóng số theo hệ tiêu chuẩn riêng của mình. - 1997 : Ban hành tiêu chuẩn và bắt đầu phát sóng thử nghiệm - 2010 : Chấm dứt công nghệ truyền hình tương tự Các nước lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T gồm : Nước Anh là nước đầu tiên có 33 trạm phát số DVB-T vào thàng 10/1998, phủ sóng khoảng 75% dân số. Đến năm 1999, sốn trạm tăng lên là 81, phủ sóng khoảng 90% dân số. Dự kiến chấn dứt truyền hình tương tự vào năm 2015. Tây ban nha, Thụy điể